1. Испытание материалов на растяжение

Цель работы: получение навыков проведения механических испытаний образца на растяжение; изучение поведения пластичных и хрупких материалов при растяжении до разрушения.

Задачи: построение диаграммы растяжения и диаграммы условных напряжений; определение основных характеристик: предела пропорциональности, предела текучести (условного предела текучести), предела прочности, удельной работы деформации образца, относительного удлинения и относительного сужения; определение марки материала по результатам исследований.

1. Условия проведения испытаний

Выбор материалов для изготовления деталей машин, механизмов, приборов, строительных конструкций, инструментов, бытовой техники и пр. определяется совокупностью их механических свойств – конструктивной прочностью. Для определения конструктивной прочности используют два вида оценки:

• прочностные свойства, определяемые независимо от особенностей изготавливаемых из них изделий и условий их службы;

• свойства материалов, непосредственно связанные с условием службы изделия и определяющие их долговечность и надежность.

Одним из методов оценки прочностных свойств, относящихся к первой группе, является испытание материалов на растяжение.

Для испытаний применяют пропорциональные цилиндрические (рис. 1.1, а) или плоские (рис. 1.1, б) образцы. Наиболее распространены цилиндрические образцы, у которых расчетная длина в пять раз превышает диаметр , т.е.: (т.н. короткие пятикратные образцы). Для короткого образца между начальной расчетной длиной и площадью поперечного сечения существует зависимость .

Для фиксирования начальной длины на образце (еще до проведения испытаний) с помощью керна намечают метки (на рис. 1.1 они изображены в виде точек).

Испытания на растяжение производят на специальных испытательных машинах (рис. 1.2) по методике, указанной в ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение». Форма и размеры головок и переходных частей образцов определяются способом их крепления в захватах испытательных машин.

а)

б)

Рис. 1.1. Цилиндрические (а) и плоские (б) образцы, применяемые при испытании на растяжение

Рис. 1.2. Универсальная настольная испытательная машина

Место закрепления образца

2. Диаграмма растяжения и ее анализ

Суть испытаний заключается в следующем. Образец (рис. 1.1) закрепляют в захватах испытательной машины (рис. 1.2) и растягивают до разрыва, измеряя нагрузку (кгс или Н) и удлинение образца (мм). Графическое представление полученной кривой в координатах называется диаграммой растяжения. Типичный вид диаграммы растяжения малоуглеродистой стали изображен на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

На диаграмме выделяют несколько характерных участков и точек. Прямолинейный участок указывает на пропорциональность между нагрузкой и удлинением образца . Эта пропорциональность впервые была замечена в 1670 г. Робертом Гуком и получила в дальнейшем название – закон Гука. Если образец нагрузить в пределах , а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не обнаружится. Такой характер деформирования образца называется упругим.

Участок соответствует равномерной (т.е. по всему объёму материала) пластической деформации, а участок правее точки – сосредоточенной пластической деформации.

При нагружении образца силой превышающей появляется остаточная (пластическая) деформация. Пластическое деформирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования. Упрочнение металла при деформировании называется наклёпом.

Выше точки линия диаграммы растяжения значительно отклоняется от первоначальной прямой линии (деформация начинает расти более интенсивно) и при нагрузке (точка ) на графике может наблюдаться горизонтальный участок (более наглядно показан на рис. 1.4, линия 2). В этой стадии испытания в материале образца пластические деформации распространяются по всему его объёму. Образец получает значительное остаточное удлинение, практически без увеличения нагрузки.

1

Площадка текучести

2

3

4

Рис. 1.4. Характерные виды диаграмм растяжения:

1 – сталь легированная; 2 – сталь Ст 3; 3 – чугун; 4 – латунь

Свойство материала деформироваться при практически постоянной нагрузке называется текучестью, а участок диаграммы растяжения, параллельный оси абсцисс, называется площадкой текучести. Во время испытаний на площадке текучести может наблюдаться внезапное падение нагрузки, что объясняется особенностями размножения и перемещения дислокаций в поликристаллических материалах.

Материалы, для которых присутствует область текучести, называются вязкими (или пластичными), для которых она практически отсутствует – хрупкими. Характерные диаграммы растяжения для некоторых конструкционных материалов приведены на рис. 1.4.

При дальнейшем увеличении нагрузки (выше точки , рис. 1.3), претерпев состояние текучести, материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению, при этом пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп, все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца (наблюдается т.н. равномерная пластическая деформация). После достижения максимального значения нагрузки в наиболее слабом месте (обычно в средней части образца) появляется местное сужение – шейка (рис. 1.5 и рис. 1.6, а), в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование (т.е. имеет место сосредоточенная пластическая деформация).

В это время между деформированными зернами, а иногда и внутри самих зерен могут зарождаться трещины. В связи с развитием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение металла, нагрузка уменьшается от до (рис. 1.3) и при нагрузке происходит разрушение образца (рис. 1.6). При этом упругая деформация образца исчезает, а пластическая (остаточная) сохраняется (рис. 1.3). Пунктирная наклонная линия на рис. 3 проводится параллельно прямой .

Таким образом, полная деформация (удлинение) образца складывается из остаточной (пластической) деформации и упругой деформации , т.е.: .

В местах разрыва некоторых пластичных материалов (например, алюминия), на одной из частей разрыва может наблюдаться чашка, а на другой конус (рис. 1.7, а). При разрыве хрупких материалов шейка не образуется (рис. 1.6, б и 1.7, б).

Рис. 1.5. Шейка на образце после растяжения

а) б)

Рис. 1.6. Внешний вид образцов после разрыва:

а) пластичный материал (сталь); б) хрупкий материал (чугун)

а) б)

Рис. 1.7. Вид излома на алюминии (а) и хрупкой стали (б)